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Die vorliegende Erfindung betrifft die Milderung der Wirkung
von unerwünschten Spannungen, die während der Bildung eines
Keramik-/Metallverbundkörpers auftreten. Die Erfindung betrifft
auch die Herstellung von Keramik-/Metallverbundkörpern, in
denen keramische Gegenstände, insbesondere keramische Gegenstände
niedriger Festigkeit enthalten sind, gemäß dein Oberbegriff von
Anspruch 1 und den Körper gemäß den Oberbegriffen von Anspruch
15 und 24.
Hintergrund der Erfindung
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Für unterschiedliche Anwendungen wurden viele unterschiedliche
Arten von Verbundmaterialien entwickelt. Ein verbundmaterial,
das sehr viel Beachtung für Hochtemperatur-
/Haltbarkeitsanwendungen gefunden hat, ist die Kombination
eines einstückigen, keramischen Gegenstands innerhalb einer Masse
von Metall.
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Das praktischste und billigste Verfahren zur Bildung eines
Verbundkörpers, bei dem eine einstückige Keramik von einer Masse
von Metall umgeben ist, umfaßt das Verfestigen eines
gegossenen schmelzflüssigen Metalls um einen keramischen Gegenstand
herum. Wenn sich das gegossene Metall verfestigt und abkühlt,
können jedoch hohe Druckspannungen in dem keramischen
Gegenstand auftreten. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramik
und des Metalls unterscheiden sich insbesondere typischerweise
voneinander, so daß die Spannungen, die auf den keramischen
Gegenstand ausgeübt werden, zu dem Beginn von Rissen und/oder dem
katastrophalen Versagen der Keramik führen können. Der Beginn
einer solchen Rißbildung und/oder ein solches Versagen ist
besonders ausgeprägt bei hohlen keramischen Gegenständen
niedriger Festigkeit. Bis heute gab es keine angemessene Lösung
dieses Problems übermäßiger Druckspannungen, die zu einem Versagen
von keramischen Gegenständen niedriger Festigkeit führen
können. Bei bestimmten Anwendungen war außerdem der Beginn von
Rißbildung und/oder dem Versagen eines Metalls auch ein
Problem. Wenn beispielsweise das Metall, das die Keramik umgibt,
dünn ist, kann eine größere Größenordnung des Zusammenziehens
des Metalls während des Kühlens zu Zugspannungen in dem Metall
führen, die zu dessen Nachgeben oder Versagen führen können.
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Es ist oft wünschenswert, einen einstückigen, keramischen
Gegenstand innerhalb einer Masse von Metall für Anwendungen zu
bilden, die die Erhaltung von thermischer Abgasenergie,
beispielsweise als Auspuffrohr für einen Verbrennungsmotor
erfordern. Insbesondere mit Bezug auf das Auspuffrohr für einen
Verbrennungsmotor ist ein einstückiger, hohler, keramischer
Gegenstand niedriger Festigkeit zumindest teilweise von einer Masse
von verfestigtem Metall umgeben. Die thermischen
Isolierungseigenschaften der Keramik helfen dabei, ein stromabwärts
gelegenes Katalysatorsubstrat durch die heißen Abgase mit einer hohen
Geschwindigkeit relativ zu einem Auspuffrohr zu erhitzen, das
insgesamt aus Metall besteht, weil die Keramik Wärmeverluste in
dem Abgasstrom verringert. Ein solches schnelles Erhitzen ist
wünschenswert, weil ein Katalysatorsubstrat unerwünschte
Schadstoffe aus einem Abgas erst umwandelt, wenn es auf seine
Betriebstemperatur durch die Abgase erhitzt worden ist.
Insbesondere können unannehmbare Mengen an Schadstoffen von einem
Auspuffsystem während der anfänglichen Aufwärmperiode für einen
Katalysator mit Bezug auf die Menge an Schadstoffen, die
abgegeben werden, wenn der Katalysator erst einmal erhitzt ist,
abgegeben werden. So können durch den Einbau einer Keramik
innerhalb eines Auspuffrohrs aus Metall unerwünschte Emissionen aus
einem Verbrennungsmotor verringert werden. Außerdem führt die
Verwendung der Rohrauskleidung in einem Turbolader zu höheren
Abgasstromtemperaturen, wodurch die Betriebsleistung des
Turboladers verbessert wird. Außerdem verringert die Verwendung
einer Keramik innerhalb eines Auspuffrohrs aus Metall die
Wärmeenergiezuführung aus dem Abgas in das Kühlmittel des Motors. So
könnte ein kleineres Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor
verwendet werden.
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Es wurden verschiedene Versuche unternommen, um die
Druckspannungen auf einen keramischen Gegenstand zu verringern, die
durch die Verfestigung und das Abkühlen eines schmelzflüssigen
Metalls um die Keramik herum verursacht werden. Das US Patent
Nr. 3.709.772 von Rice (nachstehend "Rice 772" genannt)
offenbart beispielsweise, daß eine poröse, faserige, nachgiebige,
feuerfeste Schicht auf eine Außenoberfläche eines hohlen
keramischen Gegenstands aufgebracht wird, ehe ein Metall um die
Keramik herum gegossen wird. Die poröse, feuerfeste Schicht wird
aufgebracht, indem die Außenoberfläche des keramischen
Gegenstands mit einem Aluminiumsilicatfaserpapier mit einer Dicke
von 3,0 bis 5,1 mm (0,120 bis 0,200 Zoll) umwickelt wird.
Alternativ wird offenbart, daß die Schicht durch "Sprühen" einer
flüssigen Suspension der Aluminiumsilicatfasern gegen eine
Oberfläche oder durch "Blasen" von zerhackten Fasern gegen eine
klebrige Oberfläche aufgetragen werden kann. Es wird offenbart,
daß eine nachgiebige Schicht innerhalb dieses dicken Bereichs
die Spannungen aushalten kann (das heißt, die Keramik daran
hindern kann, zu zerbrechen), die von dem Gießen einer Eisen-
oder einer Aluminiumlegierung mit einer Dicke von 4,8 bis 6,4
mm (0,1875 bis 0,250 Zoll) um den keramischen Gegenstand herum
erzeugt werden. Die offenbarte Aluminiumsilicatschicht ist
jedoch in vielen Fällen, wie bei ausgereiften
Zylinderkopfgußteilen, aufgrund ihrer Dicke mit Bezug auf die Dicke der
umgebenden Metallschicht unannehmbar. So wird die Festigkeit des
Verbundkörpers aufgrund der relativ dicken und schwachen,
nachgiebigen Zwischenschicht aufs Spiel gesetzt. Außerdem ist die
Aluminiumsilicatschicht durch bestimmte schmelzflüssige Metalle
wie Aluminium und Magnesium bei typischen Metallgußtemperaturen
benetzbar. So kann schmelzflüssiges Metall dazu neigen, in die
Aluminiumsilicatschicht einzudringen und die nachgiebige
Schicht so an ihrer gewünschten Funktionsweise hindern.
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Das US-Patent Nr. 3.718.172 von Rice, auf dem die Oberbegriffe
der Ansprüche 1, 15 und 24 beruhen (nachstehend "Rice '172"
genannt), offenbart eine Dämpfungsschicht aus Aluminiumsilicat,
die ähnlich der in Rice '772 offenbarten nachgiebigen,
feuerfesten Schicht ist. Dementsprechend hat diese Schicht alle Mängel
der in Rice '772 offenbarten, nachgiebigen Schicht.
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Das US Patent Nr. 4.245.611 von Mitchell et al. offenbart die
Verwendung einer Dämpfungschicht aus Aluminiumsilicat zwischen
einem keramischen Einsatz und einem metallischen Kolbenkörper.
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Das offenbarte Dämpfungsmaterial ist jedoch ähnlich dem sowohl
in "Rice '772" als auch in "Rice '712" offenbarten
Dämpfungsmaterial. So ist dieses Dämpfungsmaterial aus all den vorstehend
erörterten Gründen nicht wünschenswert. Eine weitere
Alternative zur Unterdrückung unerwünschter Spannungen in einem
keramischen Gegenstand umfaßt das Aufbringen eines Formsandes,
gemischt mit einem Bindemittel, auf den keramischen Gegenstand
vor dem Gießen des schmelzflüssigen Metalls um die Keramik
herum. Das Japanische Patent 53-8326 offenbart, daß ein
Formsand auf eine Außenfläche der Keramik aufgebracht werden kann,
um eine Deckschicht mit einer Dicke von 1 bis 5 mm darauf zu
bilden. Der Formsand kann mit Wasser oder einem Bindemittel
kombiniert werden, um die Bindung des Sandes an den keramischen
Gegenstand zu unterstützen. Der Sand ist jedoch durch bestimmte
schmelzflüssige Metalle wie Aluminium oder Magnesium bei
typischen Metallgießtemperaturen benetzbar. So neigt das
schmelzflüssige Metall dazu, in die poröse Sandabdeckung einzudringen
und die Sandschicht daran zu hindern, als Dämpfung gegen
Druckspannungen, die durch das Abkühlen des Metalls erzeugt werden,
zu wirken. Außer der Aufbringung irgendeiner Art von
Zwischenschicht zwischen einem keramischen Gegenstand und einem
verfestigten, schmelzflüssigen Metall wurde ein Schwergewicht auf
die Steuerung bestimmter physikalischer Eigenschaften der
Keramik gelegt. Insbesondere wurden keramische Gegenstände mit
einer gesteuerten Porosität und Porengröße auch verwendet, um die
Wirkung von unerwünschten Druckspannungen zu mildern.
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Das US Patent Nr. 3.568.723 von Sowards offenbart das Gießen
eines schmelzflüssigen Metalls um einen Keramikkern herum,
wobei der Kern eine Oberflächenporosität im Bereich von 20 bis 80
% und eine Porengröße im Bereich von 25 bis 2500 µm hat. Die
Oberflächenporosität wird erzielt, indem die Oberfläche des
Keramikkerns modifiziert wird durch solche Techniken wie das
Einverleiben eines zersetzbaren Materials in einem
Oberflächenbereich des Kerns, wenn der Kern hergestellt wird. Diese Technik
ist mühsam zu steuern und verteuert das Verfahren. Sowards
offenbart außerdem verschiedene Überzüge, die auf eine Oberfläche
eines Keramikkerns aufgebracht werden können, wobei die
Überzüge
Polystyrol, zementiertes Natriumsilicat, ein
Quarzwollekissen und Siliciumdioxidfritte umfassen.
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Das US Patent Nr. 4.533.579 von Hashimoto offenbart auch die
Verwendung keramischer Gegenstände mit spezifischen,
physikalischen Eigenschaften. Hashimoto offenbart, daß es wünschenswert
ist, die Keramik so zu konstruieren, daß sie eine bestimmte
Teilchengrößenverteilung aufweist. Teilchen mit einer Größe von
weniger als 44 µm machen 14,5 bis 50% der gesamten Teilchen
aus, und der Rest sind Teilchen mit einer Maximalgröße in einem
Bereich von 500 bis 2000 µm. Es ist offenbart, daß diese
Teilchengrößenverteilung der Keramik eine verbesserte Festigkeit
gegen Druckspannungen verleiht. Das Versagen der Keramik ist
jedoch nur ein Teil der Streitfrage, da eine gewisse
Entspannungsfähigkeit zur Vermeidung eines Versagens des Metallgusses
auch wichtig ist, und Hashimoto keine Mittel liefert, um dieses
gestellte Problem zu verhüten.
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Das deutsche Patent 2.354.254 steuert die physikalischen
Eigenschaften eines keramischen Gegenstands zur Erhöhung des
Beständigkeit der Keramik thermischen Spannungen gegenüber. Es wird
offenbart, daß wärmeisolierte Gußteile für Auspuffrohre von
Verbrennungsmotoren aus Gußmetall um eine flexible keramische
Schale herum, die eine glatte Oberfläche hat, gebildet sind. Es
ist notwendig, daß die Keramikhülle einen Young' schen Modul von
200 bis 5000 kg/mm², eine Biegefestigkeit von 8 bis 200 kg/cm²
und eine Wanddicke von weniger als einem Viertel des
Innendurchmessers aufweist.
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Ein weiterer keramischer Gegenstand, der besondere
physikalische Eigenschaften aufweist, ist in dem US Patent 3.919.755 von
Kaneko et al offenbar. Dieses Patent betrifft die Herstellung
von wärmeisolierenden Gußteilen durch Formen einer flexiblen,
porösen, keramischen Auskleidung aus einer Mischung eines
feuerfesten Materials und eines Aluminiumoxidzements; Gießen des
schmelzflüssigen Metalls gegen die Auskleidung und nach dem
Gießen des schmelzflüssigen Metalls Imprägnieren der
Auskleidung mit einem wärmebeständigen Bindemittel. Es wird offenbart,
daß es wichtig ist, zu vermeiden, die Keramikauskleidung mit
einem wärmebeständigen Bindemittel vor dem Gießen des
schmelzflüssigen Metalls zu imprägnieren, um sicherzustellen, daß die
Auskleidung den Gießprozeß übersteht.
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Keramische Gegenstände hoher Festigkeit sind auch verwendet
worden, um die Wirkung zu mildern, die thermische Spannungen
auf die Keramik haben. Die japanischen Patente 60-118366 und
60-216968 offenbaren beispielsweise das Gießen von
schmelzflüssigem Metall um Oxidkeramiken hoher Festigkeit herum.
Schließlich offenbart das japanische Patent 59-232978 das Gießen von
schmelzflüssigen Metallen um Keramikkörper hoher Festigkeit aus
stabilisiertem Zirconiumoxid herum.
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Aus Vorstehendem ist ersichtlich, daß frühere Versuche zur
Verbesserung unerwünschter Spannungen, die auftreten, wenn
keramische Gegenstände mit relativ dicken, porösen Überzügen
verwendet werden, die durch Metalle, wie Aluminium und Magnesium, bei
typischen Metallgießtemperaturen benetzbar sind, und unter
Verwendung von Keramik mit sorgfältig gesteuerten physikalischen
Eigenschaften gemacht worden sind. Keramik-
/Metallverbundkörper, bei denen dicke Überzüge auf einem
keramischen Gegenstand verwendet werden, sind jedoch für physische
Schäden aufgrund des Vorhandenseins einer relativ dicken und
schwachen Schicht zwischen dem Metall und der Keramik anfällig.
Außerdem kann es schwierig sein und in manchen Fällen teuer,
solche Überzüge aufzubringen. Diese bekannten Überzüge mußten
schon immer dick sein, da sie das Eindringen eines Metalls
gestatten (das heißt, sie werden durch das Metall benetzt), so
wurde ihr Funktionieren als nachgiebige Schicht teilweise aufs
Spiel gesetzt. Außerdem kann eine Erfordernis für spezifische
mechanische Eigenschaften in einer Keramik die Fähigkeit, die
gewünschten Wärmeeigenschaften zu liefern, verringern. Außerdem
kann es schwierig sein, keramische Gegenstände, die die
Verwendung von zusätzlichen Imprägnierungsschritten verlangen,
herzustellen, und dies führt zu weiteren Kosten bei der Herstellung
des Verbundkörpers.
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Deshalb besteht ein Bedarf, ein billiges, zuverlässiges Mittel
zu schaffen, um sicherzustellen, daß keramische Gegenstände die
Spannungen, die mit dem Metallgießen verbunden sind,
uberstehen, um strukturell fehlerfreie Keramik-/Metallverbundkörper zu
schaffen. Insbesondere besteht ein Bedarf zur Sicherstellung,
daß das schmelzflüssige Metall um einen keramischen Gegenstand
niedriger Festigkeit gegossen werden kann, ohne die
mechanischen Eigenschaften der Keramik zu verschlechtern und ohne die
mechanischen Eigenschaften des Verbundkörpers zu
verschlechtern. Außerdem besteht ein Bedarf zur Sicherstellung, daß, wenn
schmelzflüssiges Metall um einen keramischen Gegenstand herum
gegossen wird und die Dicke des abkühlenden Metalls relativ
dünn mit Bezug auf die Dicke des Keramikgegenstandss und/oder
die Zugfestigkeit des Metalls niedrig im Vergleich zu der
Druckfestigkeit der Keramik ist, das Metall aufgrund der
Entwicklung von Zugspannungen darin nicht reißt.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehenden
Tatsachen entwickelt und um die Mängel des Standes der Technik
zu überwinden.
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Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, zum
Verhindern von Brechen (das heißt katastrophalem Versagen) eines
keramischen Gegenstands, insbesondere eines keramischen
Gegenstands niedriger Festigkeit während der Verfestigung und des
Abkühlens eines schmelzflüssigen Metalls, das um den
keramischen Gegenstand herum gegossen wurde. Die Erfindung liefert
auch ein Verfahren zum Verhindern des mechanischen Versagens
von Metall, das um einen keramischen Gegenstand herum gegossen
wurde, wenn die Dicke des Metalls mit Bezug auf die Dicke der
Keramik dünn ist und/oder die Zugfestigkeit des Metalls im
Vergleich zu der Druckfestigkeit der Keramik niedrig ist.
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Die Erfindung betrifft auch eine Zusammensetzung für eine
nachgiebige Schicht, die zwischen einem keramischen Gegenstand und
einem Metall in einem Keramik-/Metallverbundkörper anzuordnen
ist. Die Zusammensetzung, die zur Bildung der nachgiebigen
Schicht verwendet wird, umfaßt eine Mischung von Gipshalbhydrat
(das heißt Calciumsulfat) und mindestens einem
Füllstoffmaterial.
Füllstoffmaterialien, wie Cristobalit, Quarz, Kaolinton,
Calciumcarbonat, Aluminiumoxid, Cordierit usw. können der
Gipshalbhydratmischung einverleibt werden, um zu verhindern, daß
die Gipshalbhydratmischung reißt und/oder sich von dem
keramischen Gegenstand während dessen Trocknen abschält und/oder zur
Modifizierung der mechanischen Eigenschaften der sich
ergebenden nachgiebigen Schicht. Die Mischung des Gipshalbhydrats und
mindestens eines Füllstoffmaterials kann zu einer Aufschlämmung
gebildet werden, um das Anhaften der Mischung an dem
keramischen Gegenstand zu erleichtern. Typische flüssige
Trägermaterialien für die Aufschlämmung umfassen Wasser und Wasser-
/Alkohol-Mischungen. Die Aufschlämmung wird typischerweise
getrocknet und auf eine erhöhte Temperatur erhitzt, um zumindest
etwas und in einigen Fällen eine beträchtliche Menge des
Hydratwassers aus dem Calciumsulfat auszutreiben. Außerdem kann
bei einer geeigneten hohen Temperatur das Calciumsulfat mit der
metallischen Komponente in dem mindestens einem
Füllstoffmaterial reagieren, um eine weitere kristalline Spezies zu bilden.
Falls beispielsweise ein kieselsäurehaltiges Material als
Füllstoff verwendet wurde, konnte die Si-Komponente aus dem
kieselsäurehaltigen Material mit dem Calciumsulfat reagieren, um ein
Calciumsilicat zu bilden. Eine solche Calciumsilicatbildung
könnte entweder teilweise oder vollständig sein (das heißt,
falls geeignete molare Mengen des Calciumsulfats und des
kieselsäurehaltigen Materials gemischt und auf eine geeignete
Reaktionstemperatur erhitzt wurden, konnte eine vollständige
Reaktion zur Bildung eines Calciumsilicats stattfinden). Nachdem
die nachgiebige Schicht auf dem keramischen Gegenstand gebildet
worden ist, wird das schmelzflüssige Metall um den keramischen
Gegenstand herum gegossen, und nach Abkühlen des Metalls auf
eine Temperatur unterhalb seines Schmelzpunkts ergibt sich ein
Verbundkörper.
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Die nachgiebige Schicht, die gemäß der Erfindung hergestellt
wurde, weist charakteristischerweise eine relative Porosität
von etwa mindestens 30% auf, um sicherzustellen, daß die
Schicht ordnungsgemäß zur Aufnahme unerwünschter Spannungen
funktionieren kann. Außerdem ist die nachgiebige Schicht
charakteristischerweise nicht zu irgendeinem nennenswerten Ausmaß
durch das schmelzflüssige Metall bei typischen Temperaturen
benetzbar, bei denen Metall gießbar ist, sogar nach einer langen
Aussetzung, denn, falls die nachgiebige Schicht benetzbar wäre,
könnte ihre geplante Aufgabe aufs Spiel gesetzt werden.
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Die nachgiebige Schicht sollte leicht an den keramischen
Gegenstand haftbar sein, bei Erhitzen nicht von der Keramik
abplatzen oder sich abschälen und imstande sein, durch das Gießen,
Verfestigen und Abkühlen des schmelzflüssigen Metallkörpers
erzeugte Spannungen zu mildern. Außerdem sollte die nachgiebige
Schicht die mechanischen Eigenschaften des sich ergebenden
Keramik-/Metallverbundkörpers nicht verschlechtern, wodurch ein
überlegener Verbundkörper erzeugt wird. Weiterhin sollte die
nachgiebige Schicht vorzugsweise aus einem relativ billigen
Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und einem
niedrigen Young'schen Modul hergestellt werden.
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Die Erfindung kann im allgemeinen auf jede Situation angewandt
werden, in der eine Verringerung der Spannung zwischen einem
massiven, im wesentlichen massiven oder hohlen Keramikkörper
und einem Metall erforderlich ist. So ist eine große Anzahl von
Anwendungen vorhersehbar. Die Erfindung kann jedoch spezifisch
auf einen Verbundkörper angewandt werden, der als
Auspuffsrohrauskleidung für einen Verbrennungsmotor verwendet wird.
Beispielsweise ist ein hohler keramischer Gegenstand mit einer
niedrigen Festigkeit zumindest teilweise von einem gegossenen
Metall auf der Grundlage von Aluminium mit einer nachgiebigen
Schicht umgeben, die sich dazwischen befindet. Es ist auch
denkbar, daß der Verbundgegenstand gemäß der vorliegenden
Erfindung bei vielen Anwendungen verwendet werden könnte, welche
die Erhaltung der Abgaswärmeenergie umfassen, einschließlich
Turboladen oder Turbocompounding.
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So gestattet die neue nachgiebige Schicht die Bildung von
Keramik-/Metallverbundkörpern mit einer hohen Wärmebeständigkeit
aufgrund der Kombination eines hohlen keramischen Gegenstands
niedriger Festigkeit mit einer relativ hohen Wärmebeständigkeit
mit einem Umgebungsmaterial größerer Festigkeit.
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Die neue nachgiebige Schicht kann auch auf einen
selbsttragenden keramischer Gegenstand aufgebracht werden, der einen
porösen Kern aufweist, der durch eine dichte Haut auf mindestens
einer seiner Oberflächen umgeben ist oder diese trägt. Ein
solcher selbsttragender keramischer Gegenstand wird als Gegenstand
mit "einem porösen Kern und einer dichten Haut" bezeichnet. Der
Gegenstand mit einem porösen Kern und einer dichten Haut ist
detailliert in EP-A-261 050 (nicht vorveröffentlicht)
beschrieben. Der Gegenstand mit porösem Kern und dichter Haut kann als
der keramische Teil des vorstehend erörterten Keramik-
/Metallverbundkörpers dienen. Die Bildung des Gegenstands mit
porösem Kern und dichter Haut wird nachstehend detaillierter
erörtert.
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Die folgenden Ausdrücke, die hier und in den Ansprüchen
verwendet werden, sind, falls nichts etwas anderes angegeben wird,
wie nachstehend definiert zu interpretieren.
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Der Begriff keramischer Gegenstand "niedriger Festigkeit"
bezieht sich auf keramische Gegenstände, die in
Vierpunkt-Biegefestigkeit von nicht mehr als etwa 34,5 MPa (5000 psi) haben.
Der Begriff "niedriger Modul" bezieht sich auf Materialien, die
einen Young'schen Modul von nicht mehr als etwa 70 GPa haben.
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Der Begriff "Oxidationsmittel" bedeutet irgendein Material, das
einen oder mehrere geeignete Elektronenakzeptoren und
Elektronenteiler aufweist. Das Material kann ein Feststoff, eine
Flüssigkeit oder ein Gas (Dampf) oder eine Kombination dieser sein.
So ist Sauerstoff (einschließlich Luft) ein geeignetes
Oxidationsmittel, wobei Luft aus Gründen der Wirtschaftlichkeit
bevorzugt wird.
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Der Ausdruck "Grundmetall" bezieht sich auf das Metall,
beispielsweise Aluminium, das der Vorläufer eines polykristallinen
Oxidationsreaktionsprodukts ist, und schließt ein, daß das
Metall als ein relativ reines Metall, ein im Handel erhältliches
Metall mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen
darin oder eine Legierung ist, in der dieser Metallvorläufer
der Hauptbestandteil ist, und, wenn ein spezifiziertes Metall
als Grundmetall erwähnt wird, beispielsweise Aluminium, sollte
das identifizierte Metall mit dieser Definition vor Augen
gelesen werden, es sei denn, etwas anderes ist durch den
Zusammenhang angegeben.
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Der Begriff "Oxidationsreaktionsprodukt" bedeutet eines oder
mehrere Metalle in irgendeinem oxidierten Zustand, in dem das
Metall (die Metalle) einem anderen Element, einer anderen
Verbindung oder einer Kombination davon Elektronen abgegeben haben
oder mit diesen Elektronen geteilt haben. Dementsprechend
umfaßt ein "Oxidationsreaktionsprodukt" gemäß dieser Definition
das Produkt der Reaktion von einem oder mehreren Metallen mit
einem Oxidationsmittel wie Sauerstoff, Stickstoff, einem
Halogen, Schwefel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoff, Bor, Selen, Tellur
und Verbindungen und Kombinationen davon, einschließlich
beispielsweise reduzierbare Metallverbindungen, Methan, Ethan,
Propan, Acetylen, Ethylen, Propylen und Mischungen wie Luft,
H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO&sub2;, wobei die letzteren beiden (das heißt H&sub2;/H&sub2;O
und CO/CO&sub2;) nützlich bei der Reduzierung der
Sauerstoffaktivität der Umgebung sind. Das sich ergebende
"Oxidationsreaktionsprodukt" kann als der keramische Gegenstand
in einem Keramik-/Metallverbundkörper verwendet werden.
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Der Begriff "Keramik", wie er in dieser Beschreibung und in den
beiliegenden Ansprüchen verwendet wird, ist nicht immer auf
einen Keramikkörper im klassischen Sinn beschränkt. Das heißt in
dem Sinn, daß er vollständig aus nichtmetallischen,
anorganischen Materialien besteht. Der Begriff "Keramik" wird manchmal
benutzt, um einen Körper zu bezeichnen, der vorwiegend
keramisch ist, entweder mit Bezug auf die Zusammensetzung oder die
vorherrschenden Eigenschaften, wenngleich der Körper auch
beträchtliche Mengen von einem oder mehreren Metallen enthalten
kann, die aus einem Grundmetall abgeleitet sind, am typischen
innerhalb des Bereichs von etwa 1 bis 40 Vol.-%, aber er kann
noch mehr Metall enthalten kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird Bezug genommen
auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen zeigen:
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Fig. 1 einen im wesentlichen maßstabsgerechten Querschnitt in
schematischer Form durch einen hohlen Keramik-
/Metallverbundkörper, der eine Attrappe eines Auspuffrohrs ist,
die verwendet wird zum Simulieren von Gießspannungen, die sich
ergeben würden, falls ein keramischer Gegenstand zu einen
Zylinderkopf gegossen würde, wobei die Attrappe gemäß der
Erfindung hergestellt wurde,
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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 1 gezeigten
keramischen Gegenstands, die auch im wesentlichen maßstabsgerecht
gezeichnet ist,
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Fig. 3 eine perspektivische, maßstabsgerechte Ansicht des
Keramik-/Metallverbundkörpers, der in Fig. 1 gezeigt ist, und
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Fig.4 eine Ansicht von unten auf den Keramik-
/Metallverbundkörper, der in Fig. 1 gezeigt ist, und der auch
im wesentlichen maßstabsgerecht gezeigt ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß eine
poröse, nachgiebige Schicht, die sich mindestens auf der
äußeren Oberfläche eines keramischen Gegenstands befindet,
insbesondere eines keramischen Gegenstands niedriger Festigkeit, den
keramischen Gegenstand daran hindert, aufgrund der Spannungen,
die während des Gießens und Abkühlens des gegossenen,
schmelzflüssigen Metalls, das um die Keramik herum gegossen wird, zu
brechen. Außerdem verringert die nachgiebige Schicht
Zugspannungen, die im Metall auch während des Abkühlens des
gegossenen, schmelzflüssigen Metalls auftreten können.
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Die poröse, nachgiebige Schicht ist durch beispielsweise eine
schmelzflüssige Aluminiumlegierung bei typischen
Metallgießtemperaturen relativ nicht benetzbar. Die nachgiebige Schicht wird
gebildet, indem ein Gipshalbhydrat und mindestens ein
Füllstoffmaterial
gemischt werden und die Mischung in einen
flüssigen Träger, wie Wasser oder eine Wasser-/Alkoholmischung,
dispergiert wird. Die Mischung wird zu einer Aufschlämmung
geformt, um die Aufbringung der Mischung auf den keramischen
Gegenstand und dessen Anhaften daran zu erleichtern. Das
Vorhandensein des Gipshalbhydrats gestattet ein rasches Abbinden der
Aufschlämmungsmischung ohne die Notwendigkeit eines anderen
Bindemittels. Geeignete Gipshalbhydratmischungen umfassen
Töpfergips Nr. &sub1; (nachstehend als Töpfergips bezeichnet), der von
der US Gypsum Company hergestellt wird und wesentlichen aus
CaSO&sub4; 1/2H&sub2;O und Bondex besteht, das von der Bondex Intl.
Inc. (nachstehend als Bondex bezeichnet) hergestellt wird und
im wesentlichen aus 30 bis 35 Gew.-% CaCO&sub3; und 70 bis 65 Gew.-%
CaSO&sub4; 1/2H&sub2;O besteht. Füllstoffmaterialien, die zur
Verwendung mit der Gipshalbhydratmischung geeignet sind, umfassen
solche Materialien, die das Gipshalbhydrat daran hindern,
während dessen Trocknens (das heißt, während des Abbindens oder
Hydratisierens) zu reißen und/oder sich abzuschälen. Annehmbare
Füllstoffmaterialien umfassen Cristobalit, Quarz,
Aluminiumoxid, Cordierit, Kaolintone, Calciumcarbonat usw. Außerdem
sollte das Füllstoffmaterial die gesamten mechanischen
Eigenschaften eines sich ergebenden Verbundkörpers nicht
verschlechtern. Typische Alkohole, die mit dem Wasser vermengt werden
können, umfassen niedrig siedende, mit Wasser mischbare
Alkohole wie Methanol und Ethanol. Die Aufschlämmung wird auf eine
Außenoberfläche eines keramischen Gegenstands aufgetragen,
trocknen (das heißt, abbinden) gelassen, und danach führt dies
zu einem hydratisierten CaSO&sub4; (das heißt CaSO&sub4;.xH&sub2;O, wobei 1/2
≤ x ≤2 ist), der leicht an der Außenoberfläche des keramischen
Gegenstands anhaftet.
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Vorzugsweise wird die getrocknete Aufschlämmung danach auf eine
erhöhte Temperatur von etwa 700ºC bis 1000ºC erhitzt. Das
Erhitzen führt zu einer hochporösen und zusammendrückbaren,
nachgiebigen Schicht, die auf der Außenseite eines thermisch
isolierenden keramischen Gegenstands gebildet ist. Insbesondere
das Hydratwasser wird im wesentlichen vollständig aus dem CaSO&sub4;
bei den erhöhten Temperaturen von 700 bis 1000ºC ausgetrieben.
Es mag jedoch nicht notwendig sein, irgendein oder das gesamte
Hydratwasser aus dem hydratisierten CaSO&sub4; auszutreiben. Ein
typisches Problem, das mit dem Aussetzen von hydratisiertem CaSO&sub4;
an schmelzflüssiges Metall hoher Temperatur verbunden ist, ist
die Entwicklung von Gas (das heißt "Entgasung") aus dem
hydratisierten CaSO&sub4;. So ist vielleicht das Erhitzen auf eine
erhöhte Temperatur nicht notwendig, wenn das Entgasen nicht ein
spezifisches Problem ist, oder falls das Entgasen gesteuert werden
kann. Danach wird ein schmelzflüssiges Metall, wie eine
Aluminiumlegierung, um die mit der nachgiebigen Schicht überzogene
Keramik gegossen, wodurch ein neues Keramik-
/Metallverbundmaterial gebildet wird.
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Das Erhitzen bei erhöhter Temperatur kann auch eine chemische
Reaktion zwischen dem Gipshalbhydrat und dem Füllstoffmaterial
fördern, um eine separate kristalline Spezies zu bilden.
Beispielsweise könnte, falls ein kieselsäurehaltiges
Füllstoffmaterial verwendet wird, eine chemische Reaktion zwischen dem
Gipshalbhydrat und dem kieselsäurehaltigen Füllstoffmaterial
auftreten, um ein Calciumsilicatmaterial, CaSiO&sub3; und/oder
Ca&sub2;SiO&sub4;, zu bilden.
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Die Menge des Calciumsilicats, das gebildet werden würde, würde
sowohl von der Temperatur als auch von der Zeit abhängen.
Beispielsweise könnte die Reaktion bei niedrigen Temperaturen
(beispielsweise 700ºC) minimal sein, so daß sich sehr wenig
Calciumsilicat bilden kann. Bei höheren Temperaturen
(beispielsweise 1000ºC oder mehr) könnte sich mehr
Calciumsilicat bilden. Insbesondere könnte die nachgiebige Schicht, falls
geeignete molare Mengen von CaSO&sub4; und ein kieselsäurehaltiges
Füllstoffmaterial verwendet würden, hauptsächlich, falls nicht
vollständig, Calciumsilicat sein. Es kann wünschenswert sein,
Calciumsilicat zu bilden, weil es auch nicht in irgendeinem
nennenswerten Ausmaß durch das schmelzflüssige Metall bei
typischen Metallgießtemperaturen, selbst nach einer langen
Aussetzung an das Metall, benetzbar ist. So kann bei diesem
besonderen Beispiel die nachgiebige Schicht eine Mischung von CaSO&sub4;
und mindestens einem Calciumsilicat sein oder die Bestandteile
der nachgiebigen Schicht können im wesentlichen vollständig
reagiert haben, um mindestens ein Calciumsilicat zu bilden.
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Die Füllstoffmaterialien haben vorzugsweise einen niedrigen
Young'sche Modul, so daß der gesamte Young'sche Modul der sich
ergebenden nachgiebigen Schicht nicht wesentlich erhöht ist
(das heißt, der Young'sche Modul des Calciumsilicats ist nicht
wesentlich überschritten). Die Füllstoffmaterialien können
beispielsweise auch die Wärmeleitfähigkeit, die mechanische
Festigkeit usw. der nachgiebigen Schicht modifizieren. Die
Füllstoffmaterialien können als getrennte Spezies in der
nachgiebigen Schicht nach Erhitzen auf eine erhöhte Temperatur vorhanden
sein oder die Füllstoffmaterialien können reagieren, um eine
andere Spezies zu bilden. Beispielsweise könnte CaCO&sub3; zugegeben
werden, um die Porosität in der nachgiebigen Schicht zu
fördern, und, falls ein kieselsäurehaltiges Donatormaterial auch
vorhanden wäre, könnte das CaCO&sub3; die Bildung von Calciumsilicat
erleichtern. Der maximale Gewichtsprozentsatz solcher
Füllstoffmaterialien ist hauptsächlich durch das Ausmaß der Haftung
der Aufschlämmung an dem keramischen Gegenstand beschränkt. Mit
anderen Worten können die Füllstoffmaterialien in der
Aufschlämmungsmischung enthalten sein, so lange die Zusätze die
Abbindungs- oder Gelierungscharakteristiken der Aufschlämmung,
die durch die Hydratisierung des Calciumsulfats verursacht
werden, nicht wesentlich beeinträchtigen.
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Die Prozentsätze der Hauptbestandteile der
Aufschlämmungszusammensetzung, die zur Bildung der nachgiebigen Schicht verwendet
werden, das heißt, die Prozentsätze des Gipshalbhydrats, des
flüssigen Trägers und des mindestens einen Füllstoffmaterials,
können variieren und trotzdem fähig sein, den keramischen
Gegenstand gegen die Spannungen zu schützen, die mit dem Gießen,
dem Verfestigen und dem Kühlen des schmelzflüssigen Materials
verbunden sind.
-
Beispielsweise können die Prozentsätze des Gipshalbhydrats und
der Füllstoffmaterialien jeweils von so wenig wie 5 Gew.-% bis
so viel wie 95 Gew.-% des Feststoffgehalts der Aufschlämmung
variieren. Der prozentuale Feststoffgehalt der Aufschlämmung
kann auch zwischen 10 und 90 Gew.-% der Aufschlämmung
variieren. Solche Gewichtsprozentsätze sind annehmbar, so lange die
Volumenprozentsätze des flüssigen Trägers in der Aufschlämmung
15 Vol.-% überschreiten. Beispielsweise stellt ein solcher
minimaler Volumenprozentsatz sicher, daß die Aufschlämmung auf
den keramischen Gegenstand aufgetragen werden kann. So tritt
für jede repräsentative Zusammensetzung, die
Gewichtsprozentsätze der vorhandenen Feststoffe erörtert, der vorstehende
Volumenprozentsatz des flüssigen Trägers auch gleichzeitig auf.
Wieder werden die oberen Grenzen der vorhandenen Mengen dieser
Materialien von praktischen Erwägungen diktiert, einschließlich
der Leichtigkeit der Auftragung der Aufschlämmung auf den
keramischen Gegenstand, der Leichtigkeit des Haftens der
Aufschlämmung an dem keramischen Gegenstand, der Benetzbarkeit der
getrockneten und gebrannten, nachgiebigen Schicht
schmelzflüssigen Metallen gegenüber, wie Aluminium und Magnesium usw.
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Die folgenden fünf Zusammensetzungen sind für die Verwendung
als Aufschlämmungsmaterial geeignet, welches nach Erhitzen die
nachgiebige Schicht bildet. Diese Zusammensetzungen sollen nur
als veranschaulichend angesehen werden und sollten nicht so
ausgelegt werden, daß sie den Umfang der Erfindung beschränken.
Zusammensetzung 1
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Entweder Bondex oder Töpfergips kann mit Wasser und Cristobalit
zur Bildung einer Aufschlämmung gemischt werden, die, wenn sie
getrocknet und erhitzt wird, eine Zusammensetzung liefert, die
zur Verwendung als nachgiebige Schicht geeignet ist. Die
Aufschlämmungszusammensetzung umfaßt 50 Gew.-% Feststoffe, von
denen 50 Gew.-% entweder Bondex oder Töpfergips und 50 Gew.-%
Cristobalit sind. Das Wasser umfaßt die restlichen 50 Gew. -%
der Zusammensetzung.
Zusammensetzung 2
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Entweder Bondex oder Töpfergips kann mit dem Cristobalit und
einem-flüssigen Träger gemischt werden, um eine
Aufschlämmungsmischung zur Bildung einer nachgiebigen Schicht zu liefern. Der
flüssige Träger umfaßt 50 Gew.-% Wasser und 50 Gew.-% Methanol.
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Der Feststoffgehalt der Aufschlämmung umfaßt 10 Gew.-% der
Gesamtzusammensetzung. Von den 10 Gew.-% Feststoffen umfaßt
entweder
Bondex oder Töpf ergips 10 Gew.-% und Cristobaiit umfaßt
90 Gew.-%.
Zusammensetzung 3
-
Entweder Bondex oder Töpfergips kann mit Wasser und Cristobalit
zur Bildung einer Aufschlämmung gemischt werden, die, wenn sie
getrocknet und erhitzt ist, eine Zusammensetzung liefert, die
zur Verwendung als nachgiebige Schicht geeignet ist. Die
Aufschlämmungszusammensetzung umfaßt 50 Gew.-% Feststoffe, von
denen 70 Gew.-% entweder Bondex oder Töpfergips und 30 Gew.-%
Cristobalit ist. Wasser umfaßt die restlichen 50 Gew.-% der
Zusammensetzung.
Zusammensetzung 4
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Entweder Bondex oder Töpfergips kann mit Cristobalit und einem
flüssigen Träger gemischt werden, um eine
Aufschlämmungsmischung zur Bildung der nachgiebigen Schicht zu liefern. Der
flüssige Träger umfaßt 50 Gew.-% Wasser und 50 Gew.-% Methanol.
Der Feststoffgehalt der Aufschlämmung umfaßt 10 Gew.-% der
Gesamtzusammensetzung. Von den 10 Gew.-% Feststoffen umfaßt
entweder Bondex oder Töpfergips 70 Gew.-% und Cristobalit umfaßt
30 Gew.-%.
Zusammensetzung 5
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Entweder Bondex oder Töpfergips kann mit Wasser und EPK-Kaolin,
geliefert von der Feldspar Corporation und mit etwa der
folgenden Zusammensetzung gemischt werden: 46,5 Gew.-% SiO&sub2;, 37,6
Gew.-% Al&sub2;O&sub3;, 0,5 Gew.-% Fe&sub2;O&sub3;, 0,4 Gew.-% TiO&sub2;, 0,2 Gew.-% P&sub2;O&sub5;,
0,3 Gew.-% CaO und geringe Mengen von MgO, Na&sub2;O, K&sub2;O, SO&sub3; und
V&sub2;O&sub5;, um eine Aufschlämmungsmischung zur Bildung einer
nachgiebigen Schichtzusammensetzung zu liefern. Der Feststoffgehalt
der Zusammensetzung umfaßt 95 Gew.-% Bondex oder Töpfergips,
und 5 Gew.-% EPK-Kaolin. Der flüssige Träger umfaßt 50 Gew.-%
der Gesamtzusammensetzung.
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Jede der vorstehend dargestellten nächgiebigen
Schichtaufschlämmungszusammensetzungen kann bei der Herstellung der
Keramik-/Metallverbundkörper verwendet werden, die einen inneren
keramischen Gegenstand, eine nachgiebige Zwischenschicht und
einem äußeren Bereich aus Metall umfassen. Es sollte
festgestellt werden, daß thermisch zersetzbare Bestandteile wie
Cellulose, Mehl, Sägemehl usw. der Aufschlämmungszusammensetzung
zugegeben werden können, um die Porosität der sich ergebenden
nachgiebigen Schicht zu modifizieren. Es kann wünschenswert
sein, die Porosität zu modifizieren, um den Young'schen Modul
und die Brechbarkeit der nachgiebigen Schicht zu modifizieren.
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Ein Keramik-/Metallverbundkörper gemäß der Erfindung ist im
Querschnitt in Fig. 1 gezeigt, wobei das Bezugszeichen 1 den
keramischen Gegenstand darstellt, der als innerer Keramikkern
verwendet wird, das Bezugszeichen 2 die nachgiebige Schicht
bezeichnet und das Bezugszeichen 3 die äußere metallische Schicht
bezeichnet. Die gleichen Bezugszeichen wurden in jeder der Fig.
verwendet. Es ist festzustellen, daß jede der Fig. 1 bis 3 im
wesentlichen maßstabsgerecht gezeichnet wurde; die Dicke der
nachgiebigen Schicht wurde jedoch für Zwecke der Klarheit
übertrieben. Die tatsächliche Dicke der nachgiebigen Schicht mit
Bezug auf die anderen Dimensionen des Verbundkörpers wird
später erörtert.
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Zur Herstellung eines Keramik-/Metallverbundkörpers gemäß der
Erfindung sollte zuerst ein keramischer Gegenstand gebildet
werden. Verschiedene Materialien sind zur Verwendung als
keramischer Gegenstand geeignet. Zusammensetzungen, einschließlich
Oxiden wie Aluminiumoxid, Cordierit, Zirconiumoxid und
Aluminiumtitanat, Carbid wie Silicumcarbid, Nitride wie
Siliciumnitrid, Boride wie Titandiborid usw., sind gut geeignet.
Insbesondere sollte die Keramik fähig sein, den heißen, korrosiven
Auspuffgasen eines Verbrennungsmotors zu widerstehen, ohne
beträchtlich verschlechtert zu werden. Außerdem sollte der
keramische Gegenstand zumindest anfänglich (das heißt: während der
Motoraufwärmphase) ein umgebendes Metall von den heißen
Auspuffgasen thermisch isolieren. So ist der keramische Gegenstand
typischerweise porös. Eine solche Porosität ergibt sich
typischerweise
in der Keramik, die eine Vierpunkt-Biegefestigkeit
bei Raumtemperatur von nicht mehr als etwa 34,5 MPa (5000 psi)
und einen Young'schen Modul von nicht mehr als etwa 70 GPa
aufweist. Es wurde entdeckt, daß poröses Aluminiumoxid und
Cordierit gut geeignete Oxidzusammensetzungen zur Verwendung für den
keramischen Gegenstand sind, der ein Auspuffrohr für einen
Verbrennungsmotor auskleiden soll. Der keramische Gegenstand kann
durch irgendein geeignetes Verfahren einschließlich
Schlickergießen, Trockenpressen und Reagieren eines schmelzflüssigen
Metalls mit einem Oxidationsmittel zur Bildung eines
Oxidationsreaktionsprodukts gebildet werden, das als "mit porösem Kern
und dichter Haut" charakterisiert ist (nachstehend
detaillierter beschrieben).
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Wenn die Keramik gebildet ist, wird mindestens eine Außenfläche
davon mit einer Aufschlämmungszusammensetzung überzogen, die
Gipshalbhydrat, einen flüssigen Träger und ein
Füllstoffmaterial enthält. Die Aufschlämmungszusammensetzung kann durch
wohlbekannte Techniken wie Sprühen, Anstreichen und
Tauchüberziehen aufgetragen werden. Wenn der keramische Gegenstand hohl
ist, sollte irgendeine Art Vorkehrung getroffen werden, um zu
verhindern, daß die Aufschlämmungszusammensetzung an einer
inneren Oberfläche der Keramik anhaftet. Entweder könnten die
Enden der hohlen Keramik mit einem geeigneten Stopfen verstopft
werden, oder wenn die Aufschlämmung getrocknet ist, kann die
überschüssige Aufschlämmung durch eine geeignete Technik,
einschließlich Schmirgeln, Sandstrahlen usw., entfernt werden. Die
Aufschlämmungszusammensetzung wird typischerweise getrocknet,
um im wesentlichen den gesamten flüssigen Träger aus ihr zu
entfernen, um eine poröse, nachgiebige Schicht über zumindest
der Außenoberfläche der Keramik zu schaffen.
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Die Aufschlämmung wird dann auf dem keramischen Gegenstand
getrocknet, in dem die Keramik in einen herkömmlichen Ofen mit
atmosphärischer Luft verbracht wird, wodurch ein Überzug auf
der Keramik gebildet wird. Das Trocknen wird vorzugsweise bei
einer Temperatur bei oder gerade unterhalb des Siedepunktes des
flüssigen Trägers (das heißt: etwa 70 bis 90ºC bei Wasser)
während eines ausreichend langen Zeitraums durchgeführt, um die
Entfernung von im wesentlichen des gesamten physisch
anhaftenden, flüssigen Trägers in der Aufschlämmung zu bewirken. Das
Trocknen könnte jedoch auch bei Raumtemperatur durchgeführt
werden, so lange eine ausreichende Zeit für das
Trocknungsverfahren zugeteilt wird. Nach dem die Aufschlämmung getrocknet
ist, wird der überzogene, keramische Gegenstand dann
vorzugsweise auf eine erhöhte Temperatur von etwa 700 bis 1000ºC
erhitzt, um im wesentlichen das gesamte Hydratwasser aus dem
CaSO&sub4; zu entfernen. Außerdem kann wie vorstehend erörtert in
Abhängigkeit von der besonderen Temperatur und der Länge der
Zeit eine Reaktion zwischen dem Gipshalbhydrat und dem
Füllstoffmaterial auftreten. Insbesondere kann, falls das
Füllstoffmaterial ein kieselsäurehaltiges Material ist, zumindest
ein Calciumsilicat gebildet werden. Dieses Erhitzen führt zu
einem nachgiebigen Schichtüberzug, der an dem keramischen
Gegenstand anhaftet.
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Typischerweise beträgt die Porosität der nachgiebigen Schicht
mindestens 30%, denn wenn die Porosität weniger als 30% ist,
könnte der Young' sche Modul der nachgiebigen Schicht so hoch
sein, daß unerwünscht viel Spannung auf den keramischen
Gegenstand übertragen würde. Zusätzlich hilft eine Porosität von
mindestens 30% sicherzustellen, daß die nachgiebige Schicht die
Wirkung von mechanischen und thermischen Spannungen mildert.
Falls die Porosität zu hoch ist, kann die nachgiebige Schicht
von dem keramischen Gegenstand abblättern oder abplatzen. Ein
bevorzugter Bereich für die Porosität ist jedoch 40 bis 70%, je
nach der besonderen Zusammensetzung des keramischen
Gegenstands, der nachgiebigen Schicht und des Metalls. Außerdem kann
das Verfahren zur Bildung des keramischen Gegenstandes auch die
erforderliche Menge an Porosität in der nachgiebigen Schicht
beeinflussen. Die Dicke des Überzuges kann durch die
Teilchengröße der in der Aufschlämmung suspendierten Feststoffe, der
Überzugszeit und durch den prozentualen Feststoffgehalt der
Aufschlämmung beeinflußt werden. In dieser Hinsicht erhöht sich
die Dicke des Überzuges, wenn die Teilchengröße, die
Überzugszeit und der Feststoffgehalt in der Aufschlämmung zunehmen.
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Weiterhin kann die Dicke der Aufschlämmung auch durch eine
Anzahl von Schichten, die auf die keramischen Gegenstände
aufgebracht werden, gesteuert werden. Beispielsweise könnte, falls
der Gegenstand durch ein Tauchverfahren überzogen wird, die
Anzahl der Male, die ein Gegenstand eingetaucht wird, die Dicke
des Überzugs steuern. Von einem wirtschaftlichen Standpunkt aus
ist es jedoch wünschenswert, nur eine einzige Schicht des
Überzugs aufzubringen. Es ist auch festzustellen, daß jede
Überzugstechnik zu unterschiedlichen Dichten für die nachgiebige
Schicht führen könnte. Falls beispielsweise eine Vielzahl von
dünnen Überzügen durch Sprühen aufgebracht würde, wäre zu
erwarten, daß die sich ergebende, nachgiebige Schicht eine
größere Dichte als eine nachgiebige Schicht hätte, die durch einen
einzigen Tauchüberzugsgang hergestellt worden ist.
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Der überzogene Gegenstand wird dann in eine geeignete Form
verbracht, weil eine Form, die aus Stahl oder Graphit hergestellt
wurde, so daß ein schmelzflüssiges Metall um den überzogenen
Gegenstand herum gegossen werden kann. Falls der überzogene
Gegenstand hohl ist, werden geeignete Schritte unternommen, um zu
verhindern, daß schmelzflüssiges Metall in den Hohlraum
eintritt. Beispielsweise kann ein feuerfestes Material wie eine
Faserwolle in den hohlen Hohlraum gestopft werden. Falls der
Verbundkörper als Auspuffrohr zu verwenden ist, würden typische
Metalle um die Keramik herum gegossen, einschließlich
Aluminium, Kupfer, Zink, Magnesium und Legierungen davon. Andere
Metalle, die für ein Auspuffrohr geeignet sind und sich mit dem
hier offenbarten Verfahren vertragen, könnten jedoch auch
verwendet werden. Das schmelzflüssige Metall wird um den
überzogenen Gegenstand herum gegossen und um den überzogenen Gegenstand
herum verfestigen gelassen, wodurch ein Keramik-
/Metallverbundkörper gebildet wird. Wenn sich das
schmelzflüssige Metall verfestigt und abzukühlen beginnt, werden in dem
keramischen Gegenstand Druckspannungen als Folge des
Unterschieds in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem
umgebenden Metall und der Keramik verursacht. Wenn die Dicke des
Metalls dünn mit Bezug auf die Dicke der Keramik ist und/oder
die Zugfestigkeit des Metalls niedrig ist im Vergleich zu der
Druckfestigkeit der Keramik, können sich zusätzlich
Zugspannungen
in dem Metall ergeben. Obgleich die sich ergebenden Druck-
und Zugspannungen ausreichen könnten, um zu verursachen, daß
der keramische Gegenstand bricht und das Metall versagt oder
nachgibt, mildert das Vorhandensein der nachgiebigen Schicht
aufgrund ihres niedrigen Young'schen Moduls, ihrer hohen
Porosität und Brechbarkeit die Wirkung solcher Spannungen, da sie
selbst zerbricht.
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Ohne daß man an irgendeine spezifische Erklärungstheorie
gebunden ist, wird angenommen, daß folgendes erklärt, wie die
nachgiebige Schicht den keramischen Gegenstand niedriger Festigkeit
daran hindert, zu reißen, und das Metall daran hindert, zu
versagen oder nachzugeben. Schmelzflüssige Metalle wie Aluminium
und Aluminiumlegierungsmetalle "benetzen" die nachgiebige
Schicht nicht bei typischen Metallgießtemperaturen von 700 bis
900ºC (das heißt, das schmelzflüssige Metall dringt nicht in
die Oberfläche der nachgiebigen Schicht in irgendeinem
beträchtlichen Ausmaß ein). So besteht eine relativ scharfe oder
wohldefinierte Grenzschicht zwischen dem Metall und der
nachgiebigen Schicht. Die wohldefinierte Grenzschicht hilft bei der
besseren Verteilung der Spannungen, die durch das sich
verfestigende Metall erzeugt werden. Spezifisch kann die nachgiebige
Schicht im wesentlichen gleichförmig um das kühlende Metall
komprimiert werden. Aufgrund der relativ niedrigen Festigkeit
und der hohen Porosität der nachgiebigen Schicht kann die
nachgiebige Schicht durch das sich abkühlende Metall zerbrochen
werden. So absorbiert das Zerbrechen der nachgiebigen Schicht
die unerwünschten Spannungen.
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Zur Herstellung von Keramik-/Metallverbundkörpern gemäß der
Erfindung werden die Dicken des keramischen Gegenstandes, der
nachgiebigen Schicht und des umgebenden Metalls gleichzeitig in
Übereinstimmung mit den physikalischen und thermischen
Eigenschaften des keramischen Gegenstandes, des Metalls und der
nachgiebigen Schichtzusammensetzung eingestellt, um einen
gewünschten Verbundkörper zu erhalten. Beispielsweise erhöht sich
die Wanddicke einer nachgiebigen Schicht und eines hohlen
keramischen Gegenstandes, wenn der Unterschied zwischen den
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Metalls und des keramischen
Gegenstandes
sich erhöht. Vorzugsweise werben keramische Gegenstände
mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von mindestens 2 x 10&supmin;&sup6;
cm/cm. ºC und Metalle mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten
von weniger als 23 x 10&supmin;&sup6; cm/cm.ºC kombiniert, um einen
Keramik-/Metallverbundkörper gemäß der Erfindung herzustellen.
Vorzugsweise beträgt der Wert des Unterschieds des
Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Keramik und dem Metall weniger
als 20 x 10&supmin;&sup6; cm/cm.ºC, so daß die Spannungen nicht so groß
sind, daß die nachgiebige Schicht nicht funktionieren kann, um
ihre Wirkung zu mildern. Die Größenordnung der thermischen
Spannungen erhöht sich auch mit der Erhöhung des Schmelzpunkts
des Metalls. Wenn eine hohle Keramik niedriger Festigkeit einen
Außendurchmesser von etwa 3,5 bis 4,5 cm, eine Wanddicke von
etwa 1,5 bis 3,5 mm aufweist und von einem Metall umgeben ist,
dessen Dicke von 0,6 cm bis 3,5 cm variiert, sollte die Dicke
der nachgiebigen Schicht im bevorzugten Bereich von 0,25 mm bis
1,5 mm gehalten werden. Nachgiebige Schichten in diesem
Dickenbereich sind bevorzugt, um sicherzustellen, daß die Keramik
ausreichend an das Umgebungsmetall gebunden ist, so daß die
Keramik sich nicht aufgrund von Vibrationen von dem Metall
trennt. Während eine dicke, nachgiebige Schicht alle
unerwünschten Spannungen absorbieren könnte, könnte die dicke
Schicht insbesondere die gesamte Unversehrtheit des
Verbundkörpers aufs Spiel setzen. Die Schicht sollte jedoch nicht so dünn
sein, daß sie nicht die unerwünschten Spannungen absorbieren
kann. So gibt es ein Ausgleichen, das mit Bezug auf die Dicke
der nachgiebigen Schicht stattfinden muß. Es wird jedoch für
die Dicke der nachgiebigen Schicht bevorzugt, daß sie auf ein
Minimum herabgesetzt wird.
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Wie vorstehend erörtert, kann eine große mögliche Anzahl von
Kombinationen der nachgiebigen Schichtzusammensetzungen und
Metalle verwendet werden, um zu Keramik-/Metallverbundkörpern
gemäß der Erfindung zu führen. Keramik-/Metallverbundkörper, die
eine große Vielfalt von Konfigurationen aufweisen, können durch
die geeignete Auswahl der physikalischen und thermischen
Eigenschaften der nachgiebigen Schicht, des Metalls und des
keramischen Gegenstandes hergestellt werden. Auf der Grundlage dieser
physikalischen Eigenschaften umfaßt die Aufschlämmung für die
nachgiebige Schichtzusammensetzung 5 bis 95 Gew.-%
Gipshalbhydrat (beispielsweise Töpfergips oder Bondex), mindestens ein
Füllstoffmaterial (beispielsweise Cristobalit), die in einer
Menge von 5 bis 95 Gew.-% als Feststoffteil der Aufschlämmung
(das heißt Gipshalbhydrat und das Füllstoffmaterial sollten
jeweilig mindestens 10 Vol.-% betragen), einen flüssiger Träger,
wie Wasser oder Wasser-Alkoholmischungen, in einer
ausreichenden Menge, um das Anhaften der Aufschlämmung an dem keramischen
Gegenstand zu erleichtern, und wenn die Aufschlämmung erst
einmal getrocknet und auf der Keramik gebrannt ist, kann sie durch
metallische Legierungen solcher Metalle, wie Aluminium, Kupfer,
Zink und Magnesium, umgeben werden. Solche Metalle können mit
keramischen Gegenständen kombiniert werden, die Oxide, Carbide,
Boride und Nitride umfassen, um die gewünschten Keramik-
/Metallverbundkörper zu liefern.
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Es ist festzustellen, daß es vorteilhaft sein kann, einen
keramischen Gegenstand mit der nachgiebigen Schicht darauf
aufgetragen auf eine Temperatur von beispielsweise 400ºC
vorzuerhitzen, um die thermischen Spannungen auf die Keramik zu
verringern. Insbesondere wird der Temperaturunterschied zwischen der
Keramik und dem schmelzflüssigen Metall durch Vorerhitzen der
Keramik vor deren Kontaktieren mit dem schmelzflüssigen Metall
verringert, wobei die auf die Keramik einwirkenden, thermischen
Spannungen verringert werden. Diese Vorerhitzungstemperatur
kann erreicht werden, indem entweder verhindert wird, daß die
überzogenen, keramischen Gegenstände unterhalb eine Temperatur
von 400ºC nach dem anfänglichen Erhitzen auf die Temperatur
von 700 bis 1000ºC fallen, oder der überzogene Gegenstand kann
vollständig nach dem anfänglichen Erhitzen gekühlt und dann auf
400ºC vorerhitzt werden. Es wird auch festgestellt, daß die
nachgiebige Schicht den keramischen Körper von dem
schmelzflüssigen Metall thermisch isolieren kann. So kann die nachgiebige
Schicht auch die thermischen Spannungen auf die Keramik
verringern, indem sie den Wärmegradienten, der von Keramik erfahren
wird, verringert.
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Die nachfolgenden Beispiele sind Beispiele der vorliegenden
Erfindung und diese Beispiele sollen verschiedene Aspekte der
Herstellung der Keramik-/Metallverbundkörper veranschaulichen.
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Diese Beispiele sollen jedoch nicht so ausgelegt werden, daß
sie den Umfang der Erfindung begrenzen.
Beispiel 1
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Das Ziel dieses Verfahrens war die Bildung eines
Verbundkörpers, der die Herstellung eines Auspuffrohrs in einem
Verbrennungsmotor simulierte. Eine Vielzahl von
Cordieritkeramikgegenständen wurde durch herkömmliche Schlickergieß- und
Trenntechniken hergestellt. Die Cordieritgegenstände hatten eine
Vierpunkt-Biegefestigkeit von etwa 20,6 bis 22,7 MPa (3000 bis 3300
psi), einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 2,5 x 10&supmin;&sup6;
cm/cm.ºC und eine Porosität von etwa 25 Vol.-%.. Die
Cordieritgegenstände wurden zur Verwendung als Auspuffrohrverkleidung
für einen Verbrennungsmotor geformt. Die Gegenstände waren, wie
in Fig. 2 gezeigt, im wesentlichen L-förmig, wobei der
Innendurchmesser "a" jedes hohlen Gegenstandes etwa 3,3 cm betrug,
der Außendurchmesser "b' 1 etwa 3,70 cm betrug und die Gesamthöhe
"c" ungefähr 9,0 cm betrug.
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Stöpsel wurden vorübergehend in jedes Ende der keramischen
Gegenstände eingesetzt, und die Gegenstände wurden in eine
Aufschlämmung getaucht, die Töpfergips Nr. 1, Wasser und 17 4m
(500 grit) Cristobalit, identifiziert durch den Handelsnamen
Minusil, enthielt, das typischerweise zumindest eine teilweise
Phasentransformation zwischen den Alpha- und Betaphasen bei
etwa 200 bis 300ºC durchmacht. Das Wasser war mit etwa 50 Gew.-%
der Mischung vorhanden, der Töpfergips Nr. 1 war mit etwa 35
Gew.-% der Mischung vorhanden und das Cristobalit machte etwa
15 Gew.-% der Mischung aus. Die überzogenen, keramischen
Gegenstände wurden dann bei etwa 90ºC während etwa zwei bis vier
Stunden getrocknet. Nach dem Trocknen wurden die überzogenen
Gegenstände dann auf eine Temperatur von etwa 700ºC mit einer
Erhitzungsgeschwindigkeit von etwa 200 bis 300ºC/Stunde erhitzt
und bei dieser Temperatur etwa ein bis zwei Stunden gehalten,
um zumindest die Entfernung des Hydratwassers aus dem
Calciumsulfat zu fördern. Das Ergebnis war eine nachgiebige Schicht
mit einer Dicke von etwa 1 mm und einer Porosität im Bereich
von etwa 45 bis 64 Vol.-%. Überzogene, keramische Gegenstände
wurden daran gehindert, unterhalb eine Temperatur von etwa
400ºC zu fallen (das heißt, nach Erhitzen auf anfängliche,
erhöhte Temperatur), bevor das schmelzflüssige Metall um sie
gegossen wurde.
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Die gebrannten keramischen Gegenstände wurden in Formen
verbracht, und eine leicht modifizierte 380.1 Aluminiumlegierung
von Belmont Metals wurde um die überzogenen. keramischen
Gegenstände gegossen. Die modifizierte 380.1 Aluminiumlegierung
hatte eine Zusammensetzung von 2,5 bis 3,5 Gew.-% Zn, 3,0 bis
4,0 Gew.-% Cu, 7,5 bis 9,5 Gew.-% Si, 0,8 bis 1,5 Gew.-% Fe,
0,2 bis 0,3 Gew.-% Mg, 0 bis 0,5 Gew.-% Mn, 0 bis 0,001 Gew.-%
Be und 0 bis 0,35 Gew.-% Sn. Das massive Metall hatte einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 21 bis 23 x 10&supmin;&sup6;
cm/cm.ºC.
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Das Metall wurde in einem Tongraphitschmelztiegel unter
Verwendung eines Standardinduktionsofens geschmolzen und auf etwa
800ºC erhitzt, bevor es in die Formen gegossen wurde. Das
Metall ließ man verfestigen und etwa 15 Minuten bis eine Stunde
abkühlen, die Formen wurden dann entfernt. Eine der sich
ergebenden Attrappen eines Auspuffrohrs wird perspektivisch in Fig.
3 gezeigt. Die Mindestdicke der Aluminiumlegierung auf der
geneigten Fläche jedes Auspuffrohrs betrug etwa 1,0 cm und ist
durch "d" dargestellt, während die Maximaldicke der
Aluminiumlegierung 2,5 cm betrug und durch "e" dargestellt ist. Eine
Ansicht von unten, die jedes Auspuffrohr repräsentiert, ist in
Fig. 4 gezeigt. Die Mindestdicke der Aluminiumlegierung an dem
unteren Teil betrug etwa 0,7 cm und ist durch "f" dargestellt,
während die maximale Dicke der Aluminiumlegierung etwa 2,5 cm
betrug und durch "g" dargestellt ist. Die keramischen
Gegenstände waren während der Verfestigung des schmelzflüssigen
Metalls nicht gebrochen, und jedes Endprodukt war ein Keramik-
/Metallverbundkörper-Motorrohr mit einer gleichmäßigen Bindung
zwischen dem keramischen Gegenstand und der Metallschicht.
Beispiel 2
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Das Verfahren von Beispiel 1 wurde befolgt, um eine Vielzahl
von Verbundkörpern zu bilden. Statt Töpfergips Nr. 1 wurde
jedoch Bondex verwendet. So betrug der Feststoffgehalt der auf
die Keramik aufgebrachten Zusammensetzung etwa 20 Gew.-%
Calciumcarbonat, 50 Gew.-% CaSO&sub4; x 1/2H&sub2;O und 30 Gew.-%
Cristobalit. Entsprechend umfaßt die nachgiebige Schicht, die auf jedem
keramischen Gegenstand nach Trocknen und Brennen der
Aufschlämmung gebildet wurde, hauptsächlich Calciumsulfat mit geringen
Mengen Calciumsilicat darin enthalten, wobei die Schicht im
wesentlichen die gleiche Porosität wie die nachgiebige Schicht im
Beispiel 1 hatte. Die keramischen Gegenstände brachen während
der Verfestigung des schmelzflüssigen Metalls nicht und jedes
Endprodukt umfaßte einen Keramik-/Metallverbundkörper, der eine
in hohem Maße gleichförmige Verbindung zwischen dem keramischen
Gegenstand und der metallischen Schicht aufwies.
Beispiele 3 bis 4
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Das Ziel dieses Verfahrens war die Bildung eines Keramik-
/Metallverbundkörpers, welcher die Herstellung eines
Auspuffrohrs für einen Verbrennungsmotor simulierte. Der
Hauptunterschied zwischen diesen Beispielen und jedem der vorhergehenden
Beispiele 1 und 2 ist, daß der keramische Gegenstand durch ein
vollständig anderes Verfahren hergestellt wird. Insbesondere
kann ein sogenannter keramischer Gegenstand mit "porösem Kern
und dichter Haut" mit der neuen nachgiebigen Schicht überzogen
werden, wie in jedem der Beispiele 1 und 2 erörtert. Wenn die
Keramik erst einmal hergestellt ist, kann der Verbundkörper auf
identische Weise gemäß jedem der beiden vorstehend angegebenen
Beispiele hergestellt werden.
-
Kurz beschrieben, wird der Gegenstand mit porösem Kern und
dichter Haut mittels einer gesteuerten Oxidationsreaktion eines
Grundmetalls mit einem Oxidationsmittel zum "Wachsen" eines
Oxidationsreaktionsprodukts hergestellt. Das Verfahren umfaßt
die Erstellung einer Vorform einer vorherbestimmten Gestalt,
welche ein Grundmetall und ein Füllstoffmaterial, beide in
Teilchenform, umfaßt, wobei das Grundmetall durch das
Füllstoffmaterial verteilt ist. Der Volumenprozentsatz des
Grundmetalls
reicht aus, um ein Volumen dem
Oxidationsreaktionsprodukts zu bilden, das das potentiell verfügbare Raumvolumen
innerhalb der Vorform überschreitet und deshalb ein Restvolumen
des Grundmetalls liefert, damit es einer weiteren
Oxidationsreaktion zur Entwicklung einer dichten Oberflächenschicht
unterzogen wird. Das heißt, der Volumenprozentsatz des
Oxidationsreaktionsprodukts, das sich aus der Oxidation des Grundmetalls
ergibt, ist größer als irgend ein anfänglich als Porosität in
der Vorform vorhandenes Raumvolumen plus jeglichem innerhalb
der Vorform durch die Reaktion des Grundmetalls oder dessen
Oxidationsreaktionsprodukt mit dem Füllstoff geschaffenes
Platzvolumen, falls der Füllstoff reaktionsfähig ist. Die
Verfahrensbedingungen werden gesteuert, um das Grundmetall in
einem schmelzflüssigen Zustand in Anwesenheit des
Oxidationsmittels zu halten, mit dem es bei Berührung reagiert, um ein
Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden. Das Verfahren wird
fortgesetzt, um den Transport des schmelzflüssigen Metalls durch das
Oxidationsreaktionsprodukt in Richtung auf das Oxidationsmittel
zu verursachen, um weiterhin zusätzliches
Oxidationsreaktionsprodukt bei Kontakt mit dem Oxidationsmittel innerhalb der
Vorform zu bilden und damit jegliches Porenvolumen zu füllen.
Gleichzeitig werden in der ganzen Vorform Leerräume gebildet,
die im wesentlichen oder teilweise die Konfiguration des
Grundmetalls, wie es in der ursprünglichen Vorform existierte, zu
replizieren. Wenn erst einmal jegliches anfängliche
Porenvolumen der Vorform mit dem Oxidationsreaktionsprodukt gefüllt ist,
wandert das restliche schmelzflüssige Metall weiterhin unter
gesteuerten Verfahrensbedingungen durch das
Oxidationsreaktionsprodukt und in Richtung auf das Oxidationsmittel,
zumindest an einer Oberfläche der Vorform, um zusätzliches
Oxidationsreaktionsprodukt als eine im wesentlichen dichte Schicht
zu bilden, die über dem porösen Kern liegt und einstückig mit
diesem ist, der sich aus der ursprünglichen Vorform entwickelt
hat. Die dichte Schicht oder Haut überwächst die Leerräume, die
durch die inverse Replizierung der Konfiguration des
Grundmetalls gebildet werden, das ursprünglich in der ganzen Vorform
verteilt war, und ist folglich im wesentlichen dicht mit Bezug
auf den Kern.
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Der sich ergebende Verbundkörper mit porösem Kern und dichter
Haut weist überlegene Abnutzungs- und Erosionseigenschaften mit
Bezug auf den porösen Kern auf, und der poröse Kern weist
überlegene thermische Isolierungseigenschaften mit Bezug auf die
dichte Haut auf. Die Dicke der Haut mit Bezug auf den porösen
Kern liegt zwischen 1/5 und 1/50. Weiterhin neigt der
Verbundkörper dazu, eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit in den
Richtungen parallel zu seiner Oberfläche innerhalb der dichten
Hautschicht aufzuweisen, während er niedrigere
Wärmeleitfähigkeitseigenschaften senkrecht zu seiner Oberfläche durch seinen
porösen Kern aufweist. Diese Charakteristiken werden teilweise
durch die geeignete Auswahl der Bestandteile der Vorform, des
Oxidationsmittels oder der Oxidationsmittel, die verwendet
wurden und durch die Verfahrensbedingungen bestimmt, und die sich
ergebenden Eigenschaften des fertiggestellten Gegenstands sind
teilweise dadurch maßgeschneidert.
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Ein weiteres Merkmal des Gegenstands mit porösem Kern und
dichter Haut ist die strukturelle Festigkeit des Gegenstandes, die
auf die dichtere, feinkörnigere Mikrostruktur der Haut mit
Bezug auf den Kern zurückzuführen ist. Spannungen auf einen
Strukturkörper wie Dreh- und Biegespannungen werden
typischerweise an der Oberfläche des Strukturkörpers im Wert maximiert.
So maximiert die starke, dichte Haut des Verbundkörpers ein
Potential für den ansonsten schwachen, porösen Kern, um den
strukturellen Bedürfnissen Genüge zu tun, während trotzdem die
niedrigen Wärmeleitfähigkeits- und
Leichtgewichtscharakteristiken des Kerns beibehalten werden. So ist ein Gegenstand mit
porösem Kern und dichter Haut ideal zur Verwendung als
keramischer Gegenstand für das vorstehend erörterte
Metallgießverfahren.
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Die Gegenstände mit porösem Kern und dichter Haut können bis zu
etwa 25 Vol.-% oder mehr der Metallbestandteile, vorzugsweise
etwa 3 Vol.-% bis etwa 10 Vol.-%, enthalten. Die
Vierpunkt-Biegefestigkeit der porösen Kernmatrix (das heißt, die Festigkeit
des porösen Kerns ohne die darauf aufgetragene, dichte Haut)
liegt typischerweise innerhalb des Bereichs von etwa 17,2 bis
34,5 MPa (2500 - 5000 psi).
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Die gesamten Verfahren zur Bildung des keramischen Gegenstands
mit porösem Kern und dichter Haut werden hier nicht erörtert,
denn sie werden detailliert in der sich im gemeinsamen Besitz
bef indenden EP-A-261050 (nicht vorveröffentlicht) erörtert, die
hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Bei den wünschenswerten
keramischen Gegenständen mit porösem Kern und dichter Haut
verblieben jedoch vorzugsweise 5 bis 10 Vol.-% des Grundmetalls in
der Keramik, und bei einem Querschnitt, der 3 mm bis 5 mm ist,
hat die dichte Haut eine etwaige Dicke von 0,1 mm bis 0,5 mm.
Die 4-Punkt-Biegefestigkeit für den porösen Kern betrug etwa
27,5 MPa (4000 psi), der Young'sche Modul betrug etwa 160 GPa
und der Wärmeausdehnungskoeffizient betrug 9 - 10 x 10&supmin;&sup6; cm/cm
ºC. Es ist festzustellen, daß es notwendig war, die
mechanischen Eigenschaften von nur der porösen Kernmatrix ohne die
dichte Haut darin aufgrund von Schwierigkeiten bei der
Herstellung von geeigneten Proben für das Testen zu bestimmen.
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Die Keramik mit porösem Kern und dichter Haut brach bei
Verfestigung des schmelzflüssigen Metalls nicht, und das Endprodukt
umfaßte einen Keramik-/Metallverbundkörper, der eine in hohem
Maß gleichförmige Bindung zwischen der Keramik und der
metallischen Schicht aufwies.
Beispiel 5
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Das Verfahren von Beispiel 4 wurde befolgt, (das heißt, Bondex
wurde verwendet) mit der Ausnahme, daß die getrocknete
Aufschwämmungszusammensetzung auf eine Temperatur von etwa 900ºC
erhitzt wurde. Die Keramik mit porösem Kern und dichter Haut
zerbrach während der Verfestigung des schmelzflüssigen Metalls
nicht, und das Endprodukt umfaßte einen Keramik-
/Metallverbundkörper, der eine in hohem Maß gleichförmige
Bindung zwischen der Keramik und der metallischen Schicht aufwies.
Vergleichsbeispiele
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Um den Nutzen der nachgiebigen Schicht zu bestimmen, wurde eine
Vielzahl von keramischen Cordieritgegenständen, wie in Beispiel
1 erörtert, und eine Vielzahl von keramischen Gegenständen mit
sogenanntem "porösem Kern und dichter Haut", die in Beispiel 3
bis 4 erörtert wurden, in Formen verbracht und auf eine
Temperatur von etwa 400ºC vorerhitzt. Die gleiche 380.1
Aluminiumlegierung von Belmont Metals wurde um die nicht überzogenen
keramischen Gegenstände gegossen. Das Metall befand sich auf einer
ähnlichen Temperatur von etwa 800ºC, ehe es in die Formen
gegossen wurde. Das Metall wurde verfestigt und etwa 15 Minuten
bis eine Stunde abkühlen gelassen, und die Formen wurden dann
entfernt.
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In jedem Fall wurde gefunden, daß die nichtüberzogenen
keramischen Gegenstände Makrorisse enthielten. Bei jedem der
keramischen Gegenstände wurde insbesondere beobachtet, daß sich die
Risse zwischen den Innen- und Außenoberflächen der hohlen
keramischen Gegenstände erstreckten, wobei das Auftreten der Risse
sich sehr auf die Nähe des Knies der keramischen Gegenstände 1
konzentrierte. Bei einigen der keramischen Cordieritgegenstände
trat außerdem extremes Quellen und eine extreme Abtrennung auf.
Die gesamte Mißbildung und das gesamte Quellen ist unannehmbar,
falls der keramische Körper als Auspuffsrohrauskleidung
verwendet werden soll.
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So ist es klar, daß die nachgiebige Schicht eine erhebliche
Wirkung auf die Menge an Rißbildungen in dem keramischen
Gegenstand hat. Insbesondere können wünschenswerte Rohrauskleidungen
nicht aus den hier offenbarten Zusammensetzungen hergestellt
werden, ohne daß die nachgiebige Schicht auf mindestens einen
Teil der Außenoberfläche davon angeordnet ist.
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Während die vorliegende Erfindung in ihren bevorzugten
Ausführungsformen offenbart wurde, ist klar, daß die Erfindung nicht
auf die genaue, hier enthaltene Offenbarung beschränkt ist,
sondern auch anderweitig mit verschiedenen Änderungen,
Modifizierungen und Verbesserungen, die Fachleuten einfallen können,
verkörpert werden können, ohne den Umfang der Erfindung wie in
den beiliegenden Ansprüchen definiert, zu verlassen.